cad论文

面向快速成形与制造的CAD模型直接切片软

件研究与开发

毛飞龙

（上海大学机自学院，上海200072）

摘要：快速成形技术（Rapid Prototyping, RP）有效的缩短了产品开发周期，降低了开发风险，提高了产品的市场竞争力，从而得到了广泛的应用。然而 STL 格式存在数据冗余、几何精度低、容易产生错误等缺点，给实际应用带来了诸多不便。该论文采用模型直接切片方法进行模型分层切片，以克服基于 STL 的模型分层切片方法的缺陷；为了使该方法具有很好的独立性和灵活性，利用 IGES 和STEP203这两种数据结构开放的文件格式与通用的几何造型软件之间进行数据交换；为了降低开发难度和工作量，提高程序开发效率和稳定性，引入 Open CASCADE 几何造型内核并利用该内核中的相关工具执行求交计算。基于该方法开发面向快速成形的模型直接切片软件导入通用几何造型软件生成的IGES 格式和 STEP203 格式数据文件，进行模型分层切片和层片内扫描路径规划操作，最终生成快速成形设备所能识别的数据文件用于控制零件加工过程。

关键词：快速成形技术，直接切片技术，路径规划，IGES，STEP203，Open CASCADE Research and Development of CAD Model Direct Slicing Software Facing to Rapid Prototyping and Manufacturing

Mao Fei-long

(school of mechanics,Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract:Rapid Prototyping (RP) technology has been widely used because it can shorten product development cycle and decrease development risk, which enhance the market competitiveness of the product.However it also has some disadvantages such as data redundancy, low accuracy, data errors and so on, which cause some inconvenience.Model direct slicing method is used in this paper to avoid the disadvantages of the STL format file. In order to make certain of the independence and flexibility of this method, IGES format file and STEP203 format file, which can be generated by any existing CAD modeling software, are used to exchange data between CAD modeling software and the model slicing software. Open CASCADE modeling kernel is used to make the development easier and the more efficient.

The model direct slicing software based on this method imports IGES format and STEP203 format file and implement the model slicing and path planning. The data file which can be accepted by the RP machine is generated by the software to control the manufacturing process.

Key words:rapid prototyping, model direct slicing, path planning, IGES, STEP203,Open CASCADE

随着社会的发展，消费者对于产品多样性的需求日益增加，这使得制造类企业必须不断缩短产品开发周期、提高产品质量、降低制造成本才能够很好的响应市场的不断变化。快速成形技术（Rapid Prototyping, RP）就是在这样的背景下产生的。与传统的去除材料的加工方法不同，快速成形技术采用添加材料的方法，逐层堆积实体材料构成三维实体模型[1]。快速成形技术不需要木模、塑料模或者陶瓷模，可以根据 CAD 造型数据或反求所得到的模

型数据直接制造出三维实体模型，这便大大的缩短了产品的开发周期，降低了产品开发的风险和成本，提高了产品的市场竞争力[1]-[3]。

由于材料和工艺的局限性，最初的快速成形技术多数采用非金属材料，制造出的零件往往用于产品的概念设计或者作为翻制硅胶模具的母模，而不能直接作为零件使用。随着技术的发展，各种新的快速成形方法不断涌现，越来越多的材料被用在快速成形技术中，从而大大的拓展了快速成形技术的应用领域[4]。近年来，快速成形技术的研究重心开始转向利用层片堆积的方法制造可直接应用的金属零件，即由快速原型向快速制造（Rapid Manufacturing, RM）的方向发展[5]。为了实现批量生产高质量、低成本的产品，快速成形技术被用来直接制造模具，即快速模具技术（Rapid Tooling, RT）[6]。近年来，利用 RT 技术快速制造硅胶、树脂等材料的软模方面取得了很大的进步，快速制造硬质模具尤其是金属模具成为了快速制模研究中的主要方向[7]。

快速成形技术有效的缩短产品的开发周期，降低了开发的风险，而快速制造和快速模具技术使得产品得以高效率、低成本、批量化生产，并快速投放市场，这些都使企业的市场竞争力得到了很大的提高。近年来，随着计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）技术和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）技术的广泛应用，可以使用三维几何造型软件设计三维实体模型或者通过反求技术（Reverse Engineering, RE）获取三维模型数据，然后进行模型切片处理和加工路径计算，并输出可用于快速成形设备的加工数据，制造实体零件[8]-[9]。快速成形与制造技术已经在航空、军事、汽车、医疗、家电、玩具等诸多领域得到了广泛的应用[10]-[12]。

本课题组开发了等离子熔积直接制造技术[13]。该技术是一种三维焊接成形方法，以高度压缩、集束性好的等离子束为热源，熔化金属粉末材料，沉积到基板表面或熔积层的熔池中，逐层堆积形成实体零件。该技术不仅可以制造金属原型，还可以直接制造金属零件，并且可以在制造过程中使用不同组分的金属粉末制造梯度功能材料，该技术解决了以往快速成形技术无法直接制造高密度、高质量金属零件的缺点。由于等离子熔积直接制造技术也是采用分层堆积的方法成形实体零件，因此不可避免的会出现阶梯效应，从而导致成形件表面质量较差，精度较低。针对这一问题，本课题组提出将等离子熔积成形和激光切割复合的方法，即在一层金属粉末堆积完成之后，用高能激光束沿着层片轮廓切线方向切除熔积层片轮廓上的多余金属和毛刺，从而消除表面阶梯[14]。在利用等离子熔积直接制造技术成形复杂形状、大倾角零件的过程中，可能会产生流淌、坍塌以及表面阶梯效应，造成成形困难、精度难以控制等问题。为此，本课题组将等离子熔积成形和铣削复合，即在等离子熔积的过程中复合数控铣削精整，该方法可实现难加工金属零件或梯度功能材料零件的快速低成本无模直接制造[15][16]。

快速成形与快速制造技术是通过逐层堆积材料得到三维实体零件的一种加工方法，因此需要获取零件各个层片轮廓的数据。基于 CAD/CAM 的快速成形与快速制造技术利用 CAD 造型软件构造三维实体模型，然后利用 CAM 软件完成模型分层切片并获得层片轮廓数据。Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, SolidWorks 等 CAD 软件均可以用来构造三维模型，对于已经存在的三维零件可以通过反求工程来获取模型数据[17]。由于不同的快速成形技术在工艺要求、数据接口等方面存在一定的差异，目前还没有适合于所有快速成形方法的通用CAM 软件。因此，有必要根据本课题组的实际情况开发相应的 CAM 软件。

目前大多数快速成形设备无法直接利用三维实体模型数据进行加工制造，需要利用 CAM 软件根据实际的工艺要求对模型数据进行处理，然后再将处理结果输出为加工设备所能够识别的数据格式，输入加工设备进行制造。不同的快速成形设备对模型数据处理方法和输出数据格式具有不同的要求，因此需要根据实际情况开发相应的 CAM 软件。本文旨在研究和开发面向快速成形技术的 CAM 软件为课题组的等离子熔积直接制造技术提供软件支持。目前